傳感器在數控機床中的應用

武瑞峰

摘 要：隨著數控機床向高速、高精、高效的方向發展，對其加工誤差的補償就成了重要的研究內容。傳感器是數控機床與測控系統的接口，是感知、獲取與檢測信息的窗口。文章主要介紹數控機床中常用的傳感器及其工作過程。

關鍵詞：數控機床；位置傳感器；力傳感器；溫度傳感器

中圖分類號：TP212.9 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）30-0185-02

Abstract： With the development of CNC machine tools in the direction of high speed， high precision and high efficiency， the compensation of machining error has become an important research content. Sensor is the interface between CNC machine tool and measurement and control system. It is the window to sense， obtain and detect information. This paper mainly introduces the sensors commonly used in CNC machine tools and their working process.

Keywords： CNC machine tool； position sensor； force sensor； temperature sensor

引言

數控機床是高精度、高效率的自動化加工設備，傳感器作為感知、獲取信息的重要部件在機床中的地位是極其重要的。特別是隨著數控機床向智能化發展的今天， 作為能夠實時采集加工過程中的位移、加速度、振動、溫度、噪聲、切削力、轉矩等制造數據的傳感器就更為重要。傳感器的檢測原理是：傳感器將溫度、壓力位移等誤差信號轉變成電信號，經轉換電路進行信號處理和放大傳輸到數控系統進行誤差補償。本文主要介紹位置傳感器、力傳感器、溫度傳感器及霍爾傳感器的工作原理及在機床中的應用。

1 位置傳感器

在閉環的數控機床系統中，必須利用位置檢測裝置把機床運動部件的實際位移量隨時檢測出來，與給定的控制值進行比較，從而控制驅動元件準確運轉，使工作臺或刀架按規定的軌跡和坐標移動，所以位置傳感器需要在精度、可靠性、抗干擾能力、動態測量、使用維護簡單、成本和壽命等方面滿足要求。

機床中常用的位置傳感器是數字式位置傳感器，主要有光電脈沖編碼器、光柵尺、磁柵傳感器等。光電脈沖編碼器是一種角位移傳感器，通常與驅動電機同軸相聯，隨電機同軸旋轉，可以連續發出脈沖信號。數控系統通過對信號的接收、處理和計數，即可得到電動機的旋轉角度。從而計算出工作臺的位移，屬于間接檢測。其角位移的分辨率可達0.1"。光柵尺主要利用莫爾條紋的平均效應、信息變換作用、光強的分布規律等特點來實現測量位移的傳感器，主要應用于數控機床的閉環伺服系統中，對刀具和工件坐標進行檢測，以跟蹤走刀誤差，以實現刀具誤差的補償。目前其測量精度可達到0.1？滋m甚至更高。如圖1所示。磁柵傳感器是指利用磁柵和磁頭的感應原理進行的測量的新型位移傳感器，成本較低，而且在使用時可將原來的磁信號抹去，安裝在機床上再進行磁信號的錄制，對于消除機床的安裝誤差和機床本身的幾何誤差十分有利。精度可達±0.1mm/m，分辨率為1～5？滋m。

2 力傳感器

隨著數控機床向高速、高精度發展，高速液壓卡盤的安全問題日益突出，其危險主要有卡盤在高速運轉時，離心力正比于轉速的平方，夾緊力隨轉速的增加而減小嚴重以及液壓缸的壓力是否穩定等。在夾緊力不足時，夾持的工件從動力卡盤中飛出，造成事故。對于因液壓缸輸入壓力不足引起的動力卡盤的輸入推拉力不足，常用壓力傳感器來監測動力卡盤回轉液壓缸的供油壓力，但這種間接檢測夾緊力的方式不能可靠判斷夾緊情況；另一個原因是動力卡盤傳動機構的摩擦力過大以及卡盤的離心力造成夾緊力損失過大，用于監測過大的摩擦力和過大的卡爪離心力造成的夾緊力不足，常用的方法是利用在線監測系統，將力傳感元件應變片粘貼在高爪外表面上，應變片的供電和傳輸均采用無線方式。但其缺點是粘貼了電路和電線的高抓不方便經常調節。浙江大學研制的高速拉壓力傳感器能夠在高速旋轉時直接檢測卡盤的輸入推拉力，比傳統的間接檢測更可靠，并具有不受鐵屑和冷卻液污染的優點。

3 溫度傳感器

溫度傳感器數控機床為了降低熱變形對加工精度的影響，通常會通過檢測機床關鍵部件如螺母副、電機等位置的溫度變化來進行熱補償，常見的溫度傳感器有模擬式和數字式兩種，模擬溫度傳感器常見的有熱電阻型和熱電偶型。

（1）熱電偶傳感器是將溫度轉換為電勢大小的熱電式傳感器。其原理為利用不同材料的兩個結點當溫度不同時的熱電效應進行溫度測量。置于被測對象的一端稱為測量端，置于參考溫度的另一結點稱為參考端即冷端。熱電偶測量溫度時，要求參考端即冷端的溫度保持不變，但由于熱電偶的長度有限，冷端溫度受被測端溫度及環境溫度影響而不穩定，一般需要進行冷端補償，且熱電偶的測溫范圍（-260～+2800℃），而機床的溫升一般為0～60℃，所以在機床中熱電偶型使用較少。

（2）機床中常用的是熱電阻傳感器，是利用金屬導體或半導體材料的電阻率隨溫度變化的特性來進行溫度測量的，其測溫范圍在-200～850℃之間，熱電阻具有測量范圍寬、精度高、穩定性好的優點。熱電阻的測溫元件分金屬熱電阻和半導體熱電阻兩大類。在機床中常用的是鉑電阻溫度傳感器。鉑電阻的特點是檢測精度高、穩定性好、性能可靠、復現性好；它的變換原理是利用電阻系數隨溫度的變化而變化的物理效應。其精度與鉑的純度有關。在0℃～660℃范圍內，鉑電阻的阻值與溫度之間的關系可用下式表示為：

Rt=R0*（1+At+Bt2）

式中Rt為溫度為t℃時的電阻值，R0是溫度為0℃時的電阻值，A、B為常數，A=3.96847*103/℃，B=-5.847×10-7/C2。目前工業上常用的鉑電阻有三種，其R0值分別為50Ω、100Ω、1000Ω，相應的分度號為PT50、PT100、PT1000；機床上常選用片狀結構貼于被測表面。如圖2所示為STT-F系列鉑電阻溫度傳感器采用金屬外殼封裝，內部填充導熱材料和密封材料灌封而成，防水防潮，適用于物體表面溫度的測量。

4 霍爾式接近開關

霍爾式接近開關是磁極與霍爾元件的軸線在同一直線上，當磁性物體接近到距霍爾元件幾毫米時，開關檢測面上的霍爾元件因產生霍爾效應而使開關內部電路有高電平變為低電平以控制開關的動作，從而使運動部件停止。數控機床的切削轉矩是由端面鍵來傳遞的，只有當刀柄上的鍵槽和主軸上的端面鍵對準時，機械手才能自動拔刀，為達到這種要求，常用霍爾式接近開關來檢測定向，如圖3所示。在主軸上安裝的發磁體隨主軸轉動，在傳感器的規定距離內安裝與放大器、主軸伺服單元相聯的霍爾傳感器，主軸發出準停指令后，發磁體隨主軸轉動，當傳感器的基準槽檢測到發磁體的判別孔時，主軸即刻停止。達到主軸準停的目的。

5 結束語

隨著精密和超精密加工技術的發展，對數控機床加工精度的要求越來越高。而機床自身零部件的制造精度提高難度加大，其機械結構的幾何誤差對機床精度的影響越來越小，進一步提高零件加工精度的方法越來越依靠對溫度、振動、壓力等產生的誤差進行補償來實現。這就需要對機床的位置誤差、轉速、壓力、溫度、振動等引起的誤差進行動態測量并利用誤差補償技術進行實時補償。傳感器作為精確檢測和分析機床誤差及其誤差源，掌握誤差的性質、產生規律和對加工精度的影響的重要部件，對準確地測量機床的各項誤差并進行建模和補償起著極其重要的作用。

參考文獻：

[1]姚曉棟，楊建國.STT-F系列鉑電阻溫度傳感器[J].產品與技術，2014（2）：82-86.

[2]潘煉，傳感器原理及應用[M].北京：電子工業出版社，2012：243-254.

[3]周蘭，常曉俊.現代數控加工設備[M].北京：機械工業出版社，2009.

[4]周城.數控機床高速液壓動力卡盤的研究[D].杭州：浙江大學，2011.

[5]黃瑩.智能傳感器的應用及其發展[J].科技創新與應用，2016（07）：99.